Wie in Reihe geschaltete Solarmodule die Spannung erhöhen

Zu verstehen, wie in Reihe geschaltete Solarmodule eine höhere Ausgangsspannung erzeugen können, ist ein wichtiger Bestandteil jedes Solarsystemdesigns, und das Verständnis einiger Grundprinzipien beim Zusammenschalten verschiedener Solarmodule hilft bei der Entwicklung und Installation eines Photovoltaiksystems zur Stromversorgung Ihres viel einfacher nach Hause.

Photovoltaik-Solarmodule sind Halbleitervorrichtungen, die Sonnenlicht (Strahlung) in elektrische Gleichstromenergie umwandeln, aber es sind die einzelnen Solarzellen der PV-Module, die für die Umwandlung des Sonnenlichts in Elektrizität verantwortlich sind. Die Leistungsabgabe eines jeden PV-Modultyps hängt jedoch stark von der Intensität des auf seine Oberfläche einfallenden Sonnenlichts sowie seiner Ausrichtung, Betriebstemperatur und der angeschlossenen Last ab.

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Solarzellen bestehen aus speziell behandeltem Siliziummaterial und sind darauf ausgelegt, so viel Sonnenlicht wie möglich zu absorbieren. Solar-PV-Zellen werden elektrisch in Reihen- und Parallelschaltungen innerhalb eines Panels (Moduls) verbunden, um die gewünschte Ausgangsspannung und/oder Stromwerte für dieses Panel zu erzeugen. Typischerweise bestehen PV-Module aus 36 oder 60 oder 72 miteinander verbundenen Solarzellen.

Die meisten Silizium-Solarzellen erzeugen etwa 0,5 bis 0,6 Volt Gleichstrom, was das Hauptmerkmal eines pn-Übergangs ist, wenn vorhanden keine externe Last angeschlossen ist. Wenn keine Last angeschlossen ist oder ein sehr geringer Strombedarf besteht, erzeugt eine Photovoltaikzelle ihre maximale Ausgangsspannung, allgemein als Leerlaufspannung VOC bezeichnet.

Wenn der Laststrombedarf der Zelle steigt, wird helleres Sonnenlicht (angegeben in Watt pro Quadratmeter, W/m2) benötigt, um die volle Ausgangsspannung zu erzeugen. Es gibt jedoch eine Höchstgrenze für die Strommenge, die eine Solarzelle erzeugen kann, egal wie hell und intensiv die Lichteinstrahlung ist.

Während einzelne Solarzellen innerhalb eines einzelnen PV-Moduls miteinander verbunden werden können, können Solar-Photovoltaik-Module selbst in Reihen- und/oder Parallelkombinationen miteinander verbunden werden, um ein Array zu bilden, das die verfügbare Gesamtleistung für eine bestimmte Solaranwendung im Vergleich zu einem einzelnen Modul erhöht.

Reihenverbundene Solarmodule

Photovoltaikmodule werden nach ihrer Gesamtleistung oder Spitzenleistung WP bewertet. Zum Beispiel 50 Watt, 100 Watt, 245 Watt usw., sodass mehrere dieser Paneele, die miteinander verbunden sind, eine beträchtliche Menge an Solarenergie erzeugen können, die ein Haus mit Strom versorgen kann. Dann ist das Zusammenschalten von Solarmodulen eine einfache und effektive Möglichkeit, Ihre Solarleistung zu steigern, aber es ist wichtig zu verstehen, wie sich in Reihe geschaltete Solarmodule verhalten.

So verbinden Sie Solarmodule in Reihe

Alle Photovoltaik-Solarmodule erzeugen eine Ausgangsspannung, wenn sie Sonnenlicht ausgesetzt sind, und wir können die Ausgangsspannung der Module erhöhen, indem wir sie in Reihe schalten. Das Verbinden von Solarmodulen in Reihe erhöht die Spannung des Systems, sodass zwei in Reihe geschaltete Module im Vergleich zu nur einem Modul die doppelte Spannung erzeugen, aber während sich die Spannungen addieren, bleibt die Stromstärke jedes Moduls gleich, dh die Ströme in Reihe addieren sich nicht.

Wenn Solarmodule elektrisch in Reihe geschaltet werden, wird der Minuspol (#045;) des ersten Panels mit dem Pluspol (#043;) des nächsten (zweiten) Panels verbunden, und der Minuspol (#045 😉 des zweiten Moduls wird mit dem Pluspol (#043;) des dritten Moduls verbunden, und so weiter, bis alle Module miteinander verbunden sind.

In Reihe geschaltete Solarmodule werden als bezeichnet Zeichenfolge, daher die Verwendung des Wortes “String” bedeutet, dass die Panels in Reihe geschaltet sind. Beachten Sie, dass in Reihe geschaltete Strings von PV-Modulen parallel geschaltet werden können, um den Gesamtstrom und damit die Ausgangsleistung zu erhöhen.

In Reihe geschaltete Solarmodule des gleichen Typs

Hier sind ALLE Solar-PV-Module vom gleichen Typ und mit der gleichen Nennleistung. Die Gesamtausgangsspannung wird zur Summe der Ausgangsspannung jedes Panels, aber der Strom der Serienstrings ist gleich den Panelströmen, wie gezeigt.

Unter Verwendung der gleichen drei 12-Volt-, 5,0-Ampere-PV-Module wie oben gezeigt, können wir sehen, dass, wenn sie eindeutig in einem Reihenstrang miteinander verbunden sind, der kombinierte Strang insgesamt 36 Volt (12 + 12 + 12) bei 5,0 Ampere erzeugt. was eine Gesamtleistung der Saite von 180 Watt (Volt x Ampere) ergibt, verglichen mit den 60 Watt eines einzelnen Moduls.

Wenn die Seriensaite also aus “n” Anzahl von Solar-PV-Modulen mit genau den gleichen Eigenschaften, dann wäre die Serien-String-Spannung V1 mal “n” (V*n) Volt, wobei der Ausgangsstrom gleich I1 ist. Somit entspricht die Gesamtleistung des Strings V*I*n Watt.

Sehen wir uns nun an, wie Solarmodule in Reihe geschaltet werden, mit unterschiedlichen Nennspannungen, aber mit identischen Nennströmen.

In Reihe geschaltete Solarmodule mit unterschiedlichen Spannungen

Bei dieser Methode sind alle Sonnenkollektoren von unterschiedlichem Typ und daher unterschiedlicher Nennleistung, haben aber eine gemeinsame Nennstromstärke. Wenn die Panels in Reihe geschaltet werden, addieren sich die Spannungen immer noch wie zuvor, sodass der String 36 Volt DC bei 5,0 Ampere erzeugt, was 180 Watt erzeugt. Auch hier hängt die Ausgangsspannung von der Anzahl der angeschlossenen Panels ab, aber die Strangstromstärke bleibt mit 5,0 Ampere gleich.

Beachten Sie, dass die Hersteller zwar ein Standardpanel angeben Spannung (6, 12, 24, 48 Volt usw.), die sich mit der Einstrahlung nur sehr wenig ändert, die Leerlaufspannung, VOC(d. h. die bei I = 0 gemessene Spannung) eines Moduls könnte jedoch um bis zu 25 % höher sein als die Nennspannung des Moduls, was zu einer übermäßigen Überspannung für große Strings führt.

Dann ist dies in unserem einfachen Beispiel der Fall einer Nennspannung von 36 Volt, könnte sie bei 45 Volt möglicherweise höher sein (36*1,25). Dann ist es diese Spannungsebene, die beim Anschluss von Serienstrings an Batterieladeregler, Wechselrichter, Spannungswandler oder DC-Lasten usw. berücksichtigt werden muss.

Schauen wir uns an, wie man Solarmodule in Reihe mit denselben Spannungen, aber unterschiedlichen Nennströmen verbindet.

In Reihe geschaltete Solarmodule mit unterschiedlichen Strömen

Bei dieser Methode haben alle Solarmodule unterschiedliche Stromstärken, aber die gleiche Nennspannung. Die Spannungen der einzelnen Panels werden sich wie bisher addieren, aber diesmal wird die Stromstärke auf den Wert des niedrigsten Panels im Reihenstrang begrenzt, in diesem Fall 1 Ampere. Dann erzeugt der Reihenstring nur 36 Volt bei 1,0 Ampere.

Unabhängig von der tatsächlichen maximalen Nennleistung der angeschlossenen Module entscheidet dann das PV-Modul mit dem niedrigsten Nennstrom über die Gesamtleistung des Reihenstrings. Beispielsweise haben unsere drei obigen Panels individuelle Nennleistungen von:

Die erwartete Gesamtleistung der drei PV-Module beläuft sich also auf 108 Watt, aber die für die angeschlossene Last verfügbare Leistung beträgt nur 36 (36 Volt mal 1 Ampere) Watt, was die tatsächliche Leistung der Strings deutlich auf etwa 33 % des Maximums reduziert, wodurch Geld verschwendet wird beim Kauf von Solarmodulen mit höherer Leistung. Eine Reihenschaltung von Solarmodulen mit unterschiedlichen Stromstärken sollte nur bedingt verwendet werden, denn wie wir gesehen haben, bestimmt das Solarmodul mit dem niedrigsten Nennstrom die Stromabgabe des gesamten Arrays.

Betrachten wir nun die Reihenschaltung von Solarmodulen mit unterschiedlichen Wattzahlen, da dies das häufigste Szenario ist.

Solarmodule in Reihe mit unterschiedlichen Wattzahlen

Nehmen wir hier an, wir haben drei Solar-PV-Module mit jeweils 40 Watt, 100 Watt und 180 Watt, die in einer Reihenkette miteinander verbunden sind. Sie können davon ausgehen, dass die Gesamtwattzahl PT 320 Watt (40 + 100 + 180) beträgt, aber das wäre nicht der Fall. Da wir die Nennspannung jedes Moduls kennen, können wir das Ohmsche Gesetz verwenden, um die Stromstärke jedes Moduls zu bestimmen und die tatsächliche Ausgangsleistung des Reihenstrings zu ermitteln.

Stromwerte des Solarmoduls

Also für Panel 1.

P1 =&#160 ;40 Watt,  V1 = 6 Volt,  I1 = 6,67 Ampere

und für Panel 2.

P2 = 100 Watt,  V2 = 12 Volt,  I2 = 8.33 Ampere

und Feld 3.

P3 =&#160 ;180 Watt,  V3 = 24 Volt,  I3 = 7,50 Ampere

Wie wir zuvor gesehen haben, addieren sich die Spannungen, sodass die Gesamtausgangsspannung VT 42 Volt (6 + 12 + 24) beträgt. Der Ausgangsstrom wird jedoch durch das Panel mit der niedrigsten Stromabgabe begrenzt, nämlich Panel Nr. 1 mit 6,67 Ampere. Dann erzeugt der Serienstring eine maximale Ausgangsleistung von nur 280 Watt (42 x 6,67), was 12,5 % weniger ist als die erwarteten 320 Watt, sodass die PV-Anlage bei voller Sonne nur mit 87,5 % Wirkungsgrad arbeitet.

String-Verbindung der letzten Serie

Zusammenfassung der in Reihe geschalteten Solarmodule

Wir haben hier gesehen, dass in Reihe geschaltete Solarmodule eine Stringspannung erhöhen. Somit sind „in Reihe geschaltete Solarmodule ungefähr Spannung“. als VT = V1 + V2 + V3 + V4 usw. daher Reihenschaltung = mehr Spannung. Wie viele PV-Module Sie pro Reihenstrang anschließen, hängt davon ab, welche Spannung Sie anstreben oder wie viele Solarmodule Sie zur Verfügung haben, aber Sie MÜSSEN beim Anschließen jederzeit die mögliche Leerlaufspannung und den VOC-Wert der Stränge berücksichtigen zu Batteriereglern und -steuerungen.

Während die Spannung ansteigen kann, entspricht der Strangstrom der niedrigsten Panel-Amperezahl. Wenn alle Solarmodule die gleichen elektrischen Eigenschaften haben, wird der String 100 % der verfügbaren Leistung bei voller Sonne (1000 W/m2) produzieren.

Wenn die in Reihe geschalteten PV-Module unterschiedliche Watt- und Nennleistungen haben, wird der Stringstrom auf den niedrigsten Modulstrom begrenzt, wodurch die Effizienz des Strings selbst bei maximaler Einstrahlung verringert wird.

Module verschiedener Typen , monokristallin oder polykristallin oder mit unterschiedlichen WP-Wattwerten, z. B. 40 Watt zusammen mit 50 Watt sollten nicht in Reihe geschaltet werden, da sie nicht die erwarteten 90 Watt (40 + 50) Ausgangsleistung erzeugen würden, da das untere Panel den String steuern würde, Dadurch verschwenden Sie Ihr Geld für das größere 50-Watt-Panel.

Solar-Photovoltaikmodule sind eine großartige Möglichkeit, kostenlos Strom zu erzeugen, und sind in einer Reihe von Wattwerten von weniger als 10 Watt bis über 200 Watt erhältlich, um für viele Solaranwendungen geeignet zu sein. Aber um die höchste Effizienz aus Ihrem Serienstring zu erzielen, sind die Positionierung, der Sonnenwinkel und die Einstrahlungsmenge genauso wichtig wie die Verwendung des gleichen Modells von Solarmodulen. Das heißt, ob sie in Reihe miteinander verbunden sind oder parallel geschaltete Solarmodule sind. Ein wenig Überlegung spart Ihnen Geld.

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